CN107326204B - 一种航空用铝合金材料的制造方法 - Google Patents

一种航空用铝合金材料的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航空用铝合金材料的制造方法，该铝合金材料由以下质量百分比的元素组成：0<Si<0.1％，Fe0.15‑0.2％，Cu4.6‑5.5％，Mn0.3‑0.5％，Mg1.1‑2.2％，0<Cr<0.04％，Zn7.4‑8.4％，Zr0.15‑0.2％，0<Ti<0.1％，Cd0.1‑0.2％，B0.01‑0.2％，Sc0.1‑0.2％，Ce0.15‑0.3％，V0.05‑0.1％，Re0.05‑0.2％，余量为Al和杂质。本发明铝合金材料性能突出，制造成本低，同时具有优异的强度、韧性和耐热性。

Description

一种航空用铝合金材料的制造方法
技术领域
本发明属于铝合金材料领域，尤其涉及一种航空用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制造方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。Al-Zn-Mg-Cu系铝合金属于7系超高强度铝合金，该系列合金屈强比和比强度很高，具有很高的室温强度、好的耐腐蚀性能和高的韧性，被广泛应用于航空和航天领域。目前，国内外已开发出了7050、7055、7068、7150等一系列超高强度铝合金，然而，随着航空航天技术的快速发展，目前对于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金在强度、韧性、耐热性以及制造成本方面提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高强度、高韧性、高耐热性且制造方法操作简单、成本较低的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金及其制备工艺。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种超高强度航空用铝合金材料的制造方法，其特征在于包括以下步骤：(1)配料：所述铝合金材料各元素的质量百分比为：0<Si<0.1％，Fe0.15-0.2％，Cu4.6-5.5％，Mn0.3-0.5％，Mg1.1-2.2％，0<Cr<0.04％，Zn7.4-8.4％，Zr0.15-0.2％，0<Ti<0.1％，Cd0.1-0.2％，B0.01-0.2％，Sc0.1-0.2％，Ce0.15-0.3％，V0.05-0.1％，Re0.05-0.2％，余量为Al和杂质，其中8<Zn/Mg+Cu<12.4，9<Zn+Mg+Zr<11.6，按照上述质量百分比配料，Al、Mg、Zn和Cu以纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭、阴极铜的形式准备原料，Si、Fe、Mn、Cr、Zr、Ti、Cd、B、Sc、Ce、V、Re以中间合金的形式准备原料；
(2)熔炼：将纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭、阴极铜投入熔炼炉进行熔炼，熔炼温度725-765℃，熔炼过程中采用电磁搅拌器进行充分搅拌，随后投入Si、Fe、Mn、Cr、Zr、Ti、Cd、B、Sc、Ce、V、Re的各中间合金原料，调整温度为745-770℃，待完全熔化后取样分析化学成分，看是否满足成分控制要求，如有必要进行成分控制调整得到铝合金熔体；
(3)精炼：加入精炼剂对熔体进行精炼，以消除熔体内气体、氧化膜及夹杂物；
(4)扒渣和搅拌：扒渣后对铝合金熔体进行搅拌，并随后静置25-45分钟，等待铸造；
(5)铸造：采用半连续铸造法进行铸造，半连续铸造温度为730℃～750℃，铸造速度为40mm/min～60mm/min，冷却水强度为0.06MPa～0.12MPa，并且结晶器内布置电磁感应线圈，磁场的频率为1000～3000Hz，结晶器中心位置的磁场强度为15～25mT。
(6)均匀化处理：对铸锭进行均匀化处理，首先以100-130℃/h的升温速率，升至300-320℃，保温3-4h，再以50-70℃/h的升温速率，升至450-480℃，保温4-6h，然后风冷至250-290℃，保温2-3h，随后空冷至室温，再以100-150℃/h的升温速率，升至480-500℃，保温5-8h，以140-180℃/h的降温速率，降至150-180℃，保温1-2h，水冷至室温，然后以100-150℃/h的升温速率，升至300-330℃，保温1-3h，出炉空冷至室温；
(7)将均匀化处理后的铸锭根据需要进行热挤压、热轧制或锻造工艺，加工成指定形状的半成品；
(8)对半成品进行淬火、时效热处理即可得到高强度、高韧性、高耐热性航空用铝合金材料。
步骤(1)中所述的纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭纯度均大于99.99％。
步骤(3)中精炼处于封闭环境中进行，精炼时间为5-10min。
步骤(5)中半连续铸造使用结晶器石墨内衬带有锥度，且冷却水孔中心线与型腔中心线夹角为20-40°。
本发明高强度、高韧性、高耐热性铝合金的成分设计依据如下：
Si元素是改善流动性能的主要成分，从共晶到过共晶都能得到最好的流动性。另外，Si可改善抗拉强度、硬度、切削性以及高温时强度，而使延伸率降低，并且Si还能与Mg形成Mg-Si金属化合物，改善铝合金的热性能。
添加Fe元素的作用在于，Al能与Fe形成Al3Fe，析出的Al3Fe弥散颗粒抑制了铝合金的蠕变变形，并提高连接的稳定性。此外Fe还可以提高铝基的抗张强度、屈服极限以及耐热性能，提高铝合金的塑性。当合金中Fe的含量在0.1％以下，对铝基性能改变很小，但是在含Mn或Cr的合金中加入Fe元素，当Fe>0.3％时，由于Fe与Mn或Cr形成不溶的金属间化合物，从而减少了Mn和Cr在固溶体中的含量，从而降低了淬火效果和时效效果。
Mn元素能与Al和Cu形成Al2Mn2Cu相，以细小弥散质点析出，阻碍位错运动，提高合金室温强度和高温强度，添加Mn可以提高淬火效果和时效效果，当Mn的添加量为0.3-0.5％时，其淬火效果增加明显。
Cr元素在Al中形成的(CrFe)A17和(CrMn)Al13等金属间化合物，能够细化晶粒，阻止再结晶和晶粒长大，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀敏感性。但Cr含量高时，淬火敏感性加强，降低合金的自淬火性，为了使自淬性和厚件的淬透性良好，应控制Cr含量。
Zr元素作为添加元素，Zr和Al形成ZrAl3化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒，另一方面，Zr与Fe、Cu和Al形成复杂的合金化合物，能够改善铝合金的抗疲劳性能。而在Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中，由于Zr对淬火敏感性的影响比Cr和Mn的小，因此宜用Zr来代替部分Cr和Mn细化再结晶组织。
Sc对铝合金的组织和性能有显著影响，铝台金中加入Sc后会在固溶或时效过程中析出与基体共格的弥散相，与ZrAl3有相似的作用，但效果更佳，此外Al3Sc本身细小均匀，可以细化铸态组织，从而改善合金的焊接性能。
Ce具有细化铸态晶粒尺寸、降低失效过程析出物生长速度的作用。Ti在铝合金中只需微量可使机械性能提高，其能与Fe、Mg、Cu、RE等多种元素形成铝基复杂化合物，有效细化结晶。
B和Cd元素：Cd对Al-Cu合金的时效过程有显著的影响，Cd可以抑制Al-Cu合金的低温时效，促进合金的高温时效，使得合金达到时效硬度和强度峰值的时间缩短，时效峰值提高。同时B和Cd可以起到细化合金组织，提高合金的塑性，微量的Cd能急剧提高合金的屈服强度，降低延伸率，当Cd超过0.3％时，则晶界存在较多的低熔点游离Cd易引起铸件淬火开裂。
V元素：在铝合金熔体中能与Fe、Cu、RE等元素形成化合物分布于铝基中，具有高温强化的作用，在提高耐热性的同时还可以降低形成针孔的倾向，提高致密性。
RE：稀土元素加入到铝合金中可起到微合金化的作用；此外，它与氢等气体和许多非金属有较强的亲和力，能生成熔点高的化合物，故它有一定的除氢、精炼、净化作用；同时，稀土元素化学活性极强，它可以在长大的晶粒界面上选择性地吸附，阻碍晶粒的生长，结果导致晶粒细化，有变质的作用。
本发明的有益效果：
1.本发明通过对传统Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的成分进行重新设计，添加多种微量元素，调整Zn、Mg、Cu的相对含量，并对各添加微量元素的含量进行严格控制，使得制造的铝合金组织均匀、细小，同时提高了铝合金的强度、韧性和耐热性。
2.本发明提供了一种制造高强度、韧性和耐热性铝合金的方法，该方法操作简单，制造成本低，通过熔炼、精炼、扒渣、半连续铸造保证了铝合金铸锭的纯度；通过对均匀化处理的精心设计，使掺有多种微量元素的铝合金组织趋于均匀，保证了其良好的力学性能。
3.采用该方法制造的铝合金抗拉强度超过700MPa、屈服强度超过640MPa、延伸率超过9.0％，并可长期在250℃以上使用。
具体实施方式
以下通过具体的三个实施例对本发明的技术方案作进一步的阐述。
实施例1
1.配料
(1)配料：所述铝合金材料各元素的质量百分比为：Si0.05％，Fe0.15％，Cu5.5％，Mn0.3％，Mg1.8％，Cr0.02％，Zn7.4％，Zr0.15％，Ti0.05％，Cd0.1％，B0.01％，Sc0.1％，Ce0.15％，V0.05％，Re0.05％，余量为Al和杂质，按照上述质量百分比配料，其中Al、Mg、Zn和Cu以纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭、阴极铜的形式准备原料，Si、Fe、Mn、Cr、Zr、Ti、Cd、B、Sc、Ce、V、Re以中间合金的形式准备原料；
(2)熔炼：将纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭、阴极铜投入熔炼炉进行熔炼，熔炼温度765℃，熔炼过程中采用电磁搅拌器进行充分搅拌，随后投入Si、Fe、Mn、Cr、Zr、Ti、Cd、B、Sc、Ce、V、Re的各中间合金原料，调整温度为770℃，待完全熔化后取样分析化学成分，看是否满足成分控制要求，如有必要进行成分控制调整得到铝合金熔体；
(3)精炼：加入精炼剂对熔体进行精炼，以消除熔体内气体、氧化膜及夹杂物；
(4)扒渣和搅拌：扒渣后对铝合金熔体进行搅拌，并随后静置30分钟，等待铸造；
(5)铸造：采用半连续铸造法进行铸造，半连续铸造温度为750℃，铸造速度为50mm/min，冷却水强度为0.1MPa，并且结晶器内布置电磁感应线圈，磁场的频率为2000Hz，结晶器中心位置的磁场强度为25mT。
(6)均匀化处理：对铸锭进行均匀化处理，首先以130℃/h的升温速率，升至320℃，保温4h，再以70℃/h的升温速率，升至480℃，保温6h，然后风冷至290℃，保温3h，随后空冷至室温，再以150℃/h的升温速率，升至500℃，保温8h，以180℃/h的降温速率，降至180℃，保温2h，水冷至室温，然后以150℃/h的升温速率，升至330℃，保温3h，出炉空冷至室温；
(7)将均匀化处理后的铸锭根据需要进行热挤压，加工成指定形状的半成品；
(8)对半成品进行淬火、时效热处理即得到高强度、高韧性、高耐热性航空用铝合金材料。
实施例2
(1)配料：所述铝合金材料各元素的质量百分比为：Si0.05％，Fe0.15％，Cu4.6％，Mn0.3％，Mg2.2％，Cr0.02％，Zn8.4％，Zr0.15％，Ti0.05％，Cd0.1％，B0.01％，Sc0.1％，Ce0.15％，V0.05％，Re0.05％，余量为Al和杂质，按照上述质量百分比配料，其中Al、Mg、Zn和Cu以纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭、阴极铜的形式准备原料，Si、Fe、Mn、Cr、Zr、Ti、Cd、B、Sc、Ce、V、Re以中间合金的形式准备原料；
(2)熔炼：将纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭、阴极铜投入熔炼炉进行熔炼，熔炼温度725℃，熔炼过程中采用电磁搅拌器进行充分搅拌，随后投入Si、Fe、Mn、Cr、Zr、Ti、Cd、B、Sc、Ce、V、Re的各中间合金原料，调整温度为745℃，待完全熔化后取样分析化学成分，看是否满足成分控制要求，如有必要进行成分控制调整得到铝合金熔体；
(3)精炼：加入精炼剂对熔体进行精炼，以消除熔体内气体、氧化膜及夹杂物；
(4)扒渣和搅拌：扒渣后对铝合金熔体进行搅拌，并随后静置30分钟，等待铸造；
(5)铸造：采用半连续铸造法进行铸造，半连续铸造温度为730℃，铸造速度为50mm/min，冷却水强度为0.1MPa，并且结晶器内布置电磁感应线圈，磁场的频率为2000Hz，结晶器中心位置的磁场强度为25mT。
(6)均匀化处理：对铸锭进行均匀化处理，首先以100℃/h的升温速率，升至300℃，保温3h，再以50℃/h的升温速率，升至450℃，保温4h，然后风冷至250℃，保温2h，随后空冷至室温，再以100℃/h的升温速率，升至480℃，保温5h，以140℃/h的降温速率，降至150℃，保温1h，水冷至室温，然后以100℃/h的升温速率，升至300℃，保温1h，出炉空冷至室温；
(7)将均匀化处理后的铸锭根据需要进行热轧制，加工成指定形状的半成品；
(8)对半成品进行淬火、时效热处理即得到高强度、高韧性、高耐热性航空用铝合金材料。
实施例3
(1)配料：所述铝合金材料各元素的质量百分比为：Si0.05％，Fe0.18％，Cu5.0％，Mn0.4％，Mg1.8％，Cr0.02％，Zn8.0％，Zr0.2％，Ti0.05％，Cd0.15％，B0.1％，Sc0.15％，Ce0.2％，V0.07％，Re0.1％，余量为Al和杂质，按照上述质量百分比配料，其中Al、Mg、Zn和Cu以纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭、阴极铜的形式准备原料，Si、Fe、Mn、Cr、Zr、Ti、Cd、B、Sc、Ce、V、Re以中间合金的形式准备原料；
(2)熔炼：将纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭、阴极铜投入熔炼炉进行熔炼，熔炼温度745℃，熔炼过程中采用电磁搅拌器进行充分搅拌，随后投入Si、Fe、Mn、Cr、Zr、Ti、Cd、B、Sc、Ce、V、Re的各中间合金原料，调整温度为760℃，待完全熔化后取样分析化学成分，看是否满足成分控制要求，如有必要进行成分控制调整得到铝合金熔体；
(3)精炼：加入精炼剂对熔体进行精炼，以消除熔体内气体、氧化膜及夹杂物；
(4)扒渣和搅拌：扒渣后对铝合金熔体进行搅拌，并随后静置30分钟，等待铸造；
(5)铸造：采用半连续铸造法进行铸造，半连续铸造温度为745℃，铸造速度为50mm/min，冷却水强度为0.11MPa，并且结晶器内布置电磁感应线圈，磁场的频率为2000Hz，结晶器中心位置的磁场强度为20mT。
(6)均匀化处理：对铸锭进行均匀化处理，首先以120℃/h的升温速率，升至310℃，保温3h，再以60℃/h的升温速率，升至470℃，保温4h，然后风冷至280℃，保温3h，随后空冷至室温，再以150℃/h的升温速率，升至500℃，保温7h，以175℃/h的降温速率，降至150℃，保温1h，水冷至室温，然后以140℃/h的升温速率，升至320℃，保温2h，出炉空冷至室温；
(7)将均匀化处理后的铸锭根据需要进行锻造工艺，加工成指定形状的半成品；
(8)对半成品进行淬火、时效热处理即可得到高强度、高韧性、高耐热性航空用铝合金材料。
根据本发明的制造方法得到的铝合金不仅强度高、韧性好，且耐热性好(见表1)，易于进行铸造，挤压成形，以及后续的机加工，能够满足航空航天领域对于材料性能的苛刻要求。
表1各实施例制造铝合金材料的力学性能测试结果
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种航空用铝合金材料的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)配料：所述铝合金材料各元素的质量百分比为：0<Si<0.1％，Fe0.15-0.2％，Cu4.6-5.5％，Mn0.3-0.5％，Mg1.1-2.2％，0<Cr<0.04％，Zn7.4-8.4％，Zr0.15-0.2％，0<Ti<0.1％，Cd0.1-0.2％，B0.01-0.2％，Sc0.1-0.2％，Ce0.15-0.3％，V0.05-0.1％，Re0.05-0.2％，余量为Al和杂质，其中8<Zn/Mg+Cu<12.4，9<Zn+Mg+Zr<11.6，按照上述质量百分比配料，Al、Mg、Zn和Cu以纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭、阴极铜的形式准备原料，Si、Fe、Mn、Cr、Zr、Ti、Cd、B、Sc、Ce、V、Re以中间合金的形式准备原料；
(2)熔炼：将纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭、阴极铜投入熔炼炉进行熔炼，熔炼温度725-765℃，熔炼过程中采用电磁搅拌器进行充分搅拌，随后投入Si、Fe、Mn、Cr、Zr、Ti、Cd、B、Sc、Ce、V、Re的各中间合金原料，调整温度为745-770℃，待完全熔化后取样分析化学成分，看是否满足成分控制要求，如有必要进行成分控制调整得到铝合金熔体；
(3)精炼：加入精炼剂对熔体进行精炼，以消除熔体内气体、氧化膜及夹杂物；
(4)扒渣和搅拌：扒渣后对铝合金熔体进行搅拌，并随后静置25-45分钟，等待铸造；
(5)铸造：采用半连续铸造法进行铸造，半连续铸造温度为730℃～750℃，铸造速度为40mm/min～60mm/min，冷却水强度为0.06MPa～0.12MPa，并且结晶器内布置电磁感应线圈，磁场的频率为1000～3000Hz，结晶器中心位置的磁场强度为15～25mT；
(6)均匀化处理：对铸锭进行均匀化处理，首先以100-130℃/h的升温速率，升至300-320℃，保温3-4h，再以50-70℃/h的升温速率，升至450-480℃，保温4-6h，然后风冷至250-290℃，保温2-3h，随后空冷至室温，再以100-150℃/h的升温速率，升至480-500℃，保温5-8h，以140-180℃/h的降温速率，降至150-180℃，保温1-2h，水冷至室温，然后以100-150℃/h的升温速率，升至300-330℃，保温1-3h，出炉空冷至室温；
(7)将均匀化处理后的铸锭根据需要进行热挤压、热轧制或锻造工艺，加工成指定形状的半成品；
(8)对半成品进行淬火、时效热处理即可得到航空用铝合金材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭纯度均大于99.99％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：精炼处于封闭环境中进行，精炼时间为5-10min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：半连续铸造使用结晶器石墨内衬带有锥度，且冷却水孔中心线与型腔中心线夹角为20-40°。
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